轮机员教材《自动化》第十一章 船舶火灾自动报警系统(审后最终修改稿)

轮机员教材《自动化》第十一章船舶火灾自动报警系统(审后最终修改稿)

第十一章船舶火灾自动报警系统

第一节火灾自动报警系统的基本功能及工作原理火灾自动报警系统的型号很多，按系统中火灾探测器的分布形式可将火灾自动报警系统主要分为分路式和环路式两种。

一、分路式火灾自动报警系统

分路式火灾自动报警系统主要由火灾报警中央装置和火灾探测器两部分组成，如图11-1-l所示。

图11-1-l舱室火灾自动报警系统示意图

1．基本功能

探测器监测周围环境的情况，并将信号传输给中央装置。火灾报警中央装置的基本功能是：当它接收到探测器传来的火警信号后，发出声、光报警信号，并指示出火源部位，启动外部报警控制设备。还能对系统进行故障监测，当系统发生

故障时发出故障声、光信号，指示出故障类型，其故障声光信号与火警声光信号有明显的区别。火警与故障信号有记忆功能，只有在火警和故障已消除，并经人工复位后方能恢复正常。另外还具备手动模拟测试功能，检测设备是否正常。每个探测分路均可切断，切断后有相应的灯光指示。主、副电源可以自动转换，保持不间断对系统供电。

2．工作原理

此类系统的探测器为开关量型，探测器在非报警状态时工作电流为零或很小（微安级）。当发生火灾、探测器动作时，内部机械或电子开关闭合，流经探测器的电流迅速上升。探测器的连接电缆多为二芯线，所有同一分路上的探测器均并联在一起，为了监视探测分路的正常工作，系统采用如图11-1-2的方式。

每个探测器内有一根短接线，分路最末一个探测器内接一个终

端电阻R，分路正常

工作时有个监测电流流经终端电阻，当任意一个探头从底座上脱落或电缆断线时，分路中不再有监测电流。火警中央装置根据探测分路上流经电

流的大小可检测出其处于正常、报警或故障状态。

图

11-1-2 火警系统探测分路结构图

分路式火灾自动报警系统的主机面板如图11-1-3所示。其主机为模块式结构，可根据系统的不同需要选用相应模块，以组成大小、功能各异的系统。基本模块有中央单元、分路单元、报警控制单元和电源单元。每个分路单元有8个探测分路，选用n块分路单元可组成具有8n个探测分路的系统。每个分路有一个开关控制此分路的接通和关断，有红黄二个指示灯分别指示其处于火警或分路断开的状态。每个分路单元上有两个开关用于此单元上8个分路火警和故障的模拟试验功能。主机与探测器的连线为二芯线，探测器工作电压为DC24Ⅴ。每个探测分路的最末一个探测器内接一个10K 的终端电阻。分路单元内还设有短路保护电路，当探测分路发生短路现象时此电路动作，以避免电流过大。短路现象消除后，短路保护电路自动复原。

当系统发生火警或

故障时，中央单元上

发出相应的声光报警

信号。因为火警系统

是一个安全系统，所

以必须保证其本身系

统处于正常的工作状态，为此主机内有各种故障自检功能。中央单元右侧有一排指示灯，分别指示分路开路故障、警铃回路故障、接地故障、电瓶故障、保险丝故障、电网故障、分路关断和主机门开。分路关断和门开指示灯提醒操作者在正常的工作状态时应将所有分路接通，并关上主机门。图11-1-3 分路式火警系统的主机面板

报警、控制单元用以连接外部各种报警、控制设施，如全船通用报警系统、各种报警灯、报警铃和防火门电磁铁等。输出信号种类各异，有源或无源，延时或不延时，连续或断续，常开或常闭，能满足各种不同要求。主机上有“报警关断”、“外控关断”和“延时关断”开关，用以控制对外报警、控制信号。

二、环路式火灾自动报警系统

环路式火灾自动报警系统框图如图11-1-4所示。该系统采用单片计算机技术，由中央单元，操作单元，探测环路等部分组成。

由于计算机技术的发展，在火灾探测器内装上微型智能模块后，就构成了智能探测器。内有微处理器、A/D转换器及串行口。地址所探测到的烟雾浓度或温度是一个模拟量，所以可根据探测器安装场所的不同来设定不同的报警阀值，以取得最佳的效果。

在环路中装上地址单元后，通过地址单元可连接普通开关量型的火灾探测器，在这条叉路上的火灾探测器具有相同的地址。中央单元上的串行口可以与PC机通信，利用PC机上丰富的软件来完成许多功能。如经过软件编程后可在PC机的屏幕上显示各层甲板上探测器、按钮的安装位置。当发生火警时，指示出报警点的位置，向值班人员提示最佳灭火方案，通过打印机记录各种事件的发生。由于中央单元上输出的报警、控制信号是可编程的，因此可以设定较为复杂的报警控制功能，如某几个探测器动作触发某扇防火门经某段时间的延时后关闭等。

图11-1-4 环路式火灾自动报警系统框图

1.中央单元

中央单元为模块式结构，由几种功能不同的模块所组成，可根据系统所需选用相应的模板。所有线路板安装在一个标准的框架中。中央单元由以下几个部分组成：

（1）报警处理板

此板是中央单元的核心部分，板内有一个内

部和两个外部串行通信口。内部串行口用于接收来自探测环路接口板的信息，控制其相应动作。外部串行口用于和操作单元等通信。此板还通过继电器板完成相应的报警、控制功能，通过通信接口板实现与外部计算机、打印机等的串行通信，控制开关量输入/输出板完成相应功能。（2）探测环路接口板

此板用于与探测环路中的探测器通信，并将探测器的状况传至报警处理板。每块板可连接2个探测环路，一个中央单元中最多可插入95块探测环路接口板。板上的多位开关用以设定其地址。

（3）继电器板

它受报警处理板所控制，驱动外部报警、控制设备。如通用报警系统、警铃、防火门电磁铁等。板内有2路DC24V／2A电源输出，3路DC24V／2A有源信号输出，4路容量为2A的继电器信号输出，2路以集电极开路形式输出的信号。

（4）通信接口板

此板内有2个RS232和2个RS485串行通信口，它受报警处理板所控制，用于与外部计算

机、打印机通信。

（5）开关量输入板

此板可接收24路经光电隔离的开关量信号，受报警处理板所控制。

（6）开关量输出板

此板可输出24路经光电隔离的开关量信号，受报警处理板所控制。

（7）开关量探测器接口板

此板用于连接以非智能型的开关量探测器所组成的探测分路，每块板可连接4个分路。（8）电源单元

电源单元包括整流电源和蓄电瓶，二路电源可自动切换。

2．探测环路

在该系统中，一个中央单元最多可连接190个探测环路，每个环路中可安装99个模拟量探测器或地址单元。一个环路可覆盖船上几层甲板。因为中央单元和探测器之间的通信信号在发送和接收时受过特殊处理，所以对其电缆要求不高，采用一般的二芯非屏蔽船用电缆即可。

3．操作单元

操作单元是操作者与系统进行人机对话的装

置，其面板图如图11-1-5所示。

图11-1-5环路式火警装置面板图

当系统发生火警时，左上角的火警大灯闪亮，其右侧的二组三位数码管分别显示报警的环路号和探测器号。操作单元右部的液晶显示屏显示系统的信息，液晶窗下方的键盘用以输入操作者的各种控制命令，如设置日期、时间，设置某个探测器的灵敏度，在某段时间内关断某几个探测器等。有的操作功能需输入相应的密码后才能实现，以避免非相关人员的误操作。当系统发生故障时，操作单元右下方的故障灯闪亮，其上方相应的发光二极管指示故障类型。

第二节火灾探测器

一、火灾探测方法

在火灾发生之前，普通可燃物燃烧过程会产生大量烟雾，温度将急剧上升，并且出现火光，因此根据火灾前兆的物理现象，火灾探测方法可分

为烟探测法、热（温度）探测法和光探测法。

在滚装船、消防船和油船的货舱或某些舱室可能会聚集较多的易燃气体。在易燃气体的浓度超过燃烧下限时，遇明火会产生燃烧或爆炸。为了检测易燃气体是否达到危险浓度，在这些船上一般装有易燃气体探测报警系统，对易燃气体的火灾探测方法为气体浓度探测法。

二、火灾探测器

火灾探测器是火灾自动报警系统的检测单元，一旦在它所监视的环境中有火情，就将火灾的特征物理量，如烟雾、温度、火光等转换成电信号向火灾报警中央单元发送。对普通可燃物按其探测火灾参数的不同，可以划分为感烟式、感温式和感光式火灾探测器等类型，而船上主要采用感烟式和感温式火灾探测器。对易燃气体的探测较多的是采用气敏半导体探测器。

1．感烟式火灾探测器

船上常用的感烟式火灾探测器主要有感烟管式（或称光电式）和离子式两种。感烟管式主要用于大舱内的火灾探测，离子式主要用于机舱等处的火灾探测。

1）感烟管式火灾探测器

感烟管式火灾探测器如图11-2-1所示。它是利用烟雾浓度不同其透光程度不同的原理来探测的。抽风机2把所监视大舱内的气体通过集烟管1排出，光源3经透镜变成平行光分别照射在测量光电池4和基准光电池5上。当气体中的烟雾浓度增大时，使测量光电池4产生的电信号减小，而基准光电池5产生的电信号不变。把这两个电压信号送至检测电路6，当两个电压差达到设定值时，发出火灾探测信号。

图11-2-1 感烟管式火灾探测器原理图

2）离子式火灾探测器

离子式火灾探测器如图11-2-2所示。它由内外电离室和检测电路组成，内电离室FSY1是封闭气室，充有标准气体，外电离室FSY2开有小孔与所监视的舱室相通，每个电离室中放一块同位素镅241和一个电极。它是利用烟雾颗粒能吸附离子的原理来探测的。同位素镅241能发射α射线

使空气电离，并在电场作用下产生离子电流。当有烟雾的气体进入外电离室时，烟雾颗粒能吸附一部分离子，使其离子电流减少，相当于它的等效电阻值增大，而内电离室的等效电阻不变。随着外电离室的烟雾浓度增大，A点电位U A要提高，经场效应管BG1源极耦合到晶体管BG2的基极放大后输出。当烟雾浓度达到一定值时，使输出电压相应提高到某一动作电压，通过起门槛作用的稳压管DW1去触发可控硅管SCR1使之导通，继电器通电发出火灾探测信号。

图11-2-2 离子式火灾探测器2．感温式火灾探测器

船上常用的感温式火灾探测器有定温式、差温式和差定温式三种。感温式火灾探测器主要用于住室、走廊、控制室和舱室容积较小场所的火灾探测。

1）定温式火灾探测器

定温式（或称恒温式）火灾探测器是根据监视点温度达到某个设定值来探测的。常用的定温式火灾探测器有低熔点金属丝和双金属片，如图11-2-3（a）（b）所示。

图11-2-3 感温式火灾探测器当监视点温度达到设定值时，低熔点金属丝被熔断；或利用膨胀系数不同的双金属片，受热弯曲使触头断开。它们可使一个继电器断电，其常闭触头闭合发出火灾探测信号。

2）差温式火灾探测器

差温式（或称温升式）火灾探测器是根据监视点温度升高变化率来探测的。如图11-2-3（c）所示。在火灾前期温度上升较快，如温度升高变化率每分钟超过5.5℃时，使得气室内的气体快速膨胀，由于小孔放气量很小，气体来不及从小孔泄放，其压力升高，波纹膜片下弯使动触头与静触点闭合发出火灾探测信号。

温升式火灾探测器也可以是采用热敏电阻及电子电路制成的。

3）差定温式火灾探测器

差定温式火灾探测器是将定温式和差温式组合在一起，兼有两者的功能，扩大了使用范围，提高了可靠性。差定温式火灾探测器一般多是膜盒式或热敏电阻式等点型结构的组合式火灾探测器。差定温式火灾探测器按其工作原理又可分为机械式和电子式两种。

3．智能型火灾探测器

随着科技的快速发展，出现了智能型火灾探测器。这种探测器具有一定的智能处理能力，能对火灾特征信号进行直接分析和处理，从而大大减轻了中央单元的信息处理负担，提高整个火灾报警系统的响应速度。智能型火灾探测器一般具有以下特点：

（1）火灾探测器的输出信号与火灾状况（烟雾浓度变化、温度变化等）成线性变化。探测器能够按预报警、火灾发讯、联动警报三个阶段传送信号。探测器变脏、老化、脱落等故障状态信息也传送到中央单元，以进行检测识别并发出故障警报信号。

（2）火灾探测器内配置高集成度的微型智能模块（内含CPU、A／D转换器、串行通信接口），并具备通信功能。

（3）火灾探测器具有地址编码功能。探测器的编码地址由系统软件程序决定，在火灾报警控制器上可根据需要命名或更改火灾探测器的地址。

（4）具有很高的环境适应能力与稳定性。智能型火灾探测器具有抗灰尘附着、抗电磁干扰、抗温度影响、抗潮湿、抗腐蚀等特点。

（5）各种工作原理的探测器都有配套的火灾识别软件。探测器的灵敏度和警戒值可以灵活设定。

（6）具有自动故障测试功能。无需加烟或加温测试，只要利用报警控制器键盘上的按键，即可完成对探测器的功能测试。

4．气敏半导体火灾探测器

目前在易燃气体探测的实际应用中，采用气敏半导体（或称金属氧化物元件），它是在铂金丝上涂以金属氧化物，在高温中焙烧而成。气敏半导体品种很多，主要有氧化锡、氧化锌、氧化钻、氧化铁和氧化镍等，其中氧化锡使用较广。用这

些氧化物制成的气敏半导体，按其性质可分为N 型和P 型两大类。N 型气敏半导体元件，在遇到敏感气体时，其电阻值减小；而P 型气敏半导体元件，在遇到敏感气体时，其电阻值增大。

图11-2-4 气敏半导体火灾探测器气敏半导体火灾探测器结构如图11-2-4所示。气敏半导体的工作原理一般可采用势垒学说解释，其主要点是：由于吸附作用，半导体的外表上吸附了空气中大量的氧分子，而产生了由外向内的静电场，为了屏蔽这一外电场，半导体表面内必然形成势垒。对N 型半导体来说，这一势垒是由多数载流子（电子）的聚集形成的，由此减少了参加导电的电子数量，引起半导体电阻值的增大。当周围存在还原性易燃气体时，被吸附的还原性易燃气体产生由内向外的电场，方向与势垒电场的方向相反，减弱了势垒对电子的束

缚，使一部分电子参与导电，从而减小了半导体的电阻值。当还原性易燃气体离去时，空气中的氧分子又被吸附，再次加大对电子的束缚力，使半导体的电阻恢复到初始值。因此气敏半导体探测器是利用气体浓度升高，其电阻值减小原理来探测的。

三、火灾探测器的故障分析

在火灾自动报警系统的实际运行过程中，中央单元本身很少出现故障，出现故障最多的是火灾探测器以及外围接线。火灾探测器故障主要有漏报或误报两种情况：漏报指的是火灾已发展到应当报警的规模但却没有报警；误报指的是没有发生火灾却发出了报警信号。

1．漏报分析

感温式、感烟式和气敏半导体火灾探测器都是接触式探测器，只有当足够浓度或足够热的烟雾到达探测器所在位置时才能被探测到并作出反应。假定探测器本身及线路没有故障，出现漏报往往是探测器没有探测到足够多的烟雾。例如，目前常用的感烟式探测器，其监视舱室顶棚的高度一般不超过10m，这样当其地面附近起火时，火灾烟雾可在几秒钟升到顶棚，并迅速形成烟雾

层，探测器能够起到及时发现火灾的作用。如果舱室的内部空间较大、较高，烟气到达顶棚的时间必将延长，而且由于卷吸空气的稀释，烟雾的浓度有所降低，等达到探测器的报警浓度时，火灾已经发展到相当大的规模。若探测器离顶棚过近也会漏报警，例如在夏季，环境温度较高时，可造成室内顶棚下的空气温度较高，它可导致燃烧刚产生的烟雾无法到达顶棚，这通常称为烟雾的热降。为避免热降，感烟式探测器应与顶棚保持一段距离。又如当室内有通风换气装置时，形成的强制空气流动可以使烟雾偏斜，以致到达不了探测器位置。

造成探测器误报有结构方面的原因，也有使用方面的原因。结构方面主要与探测器的灵敏度有关，探测器的灵敏度过低会造成报警延迟，但太高了又容易发生误报，应当选择合适的报警范围。现在通用的探测器大都将灵敏度设为若干级，如定温探测器的一级灵敏度的动作温度为62℃，二级灵敏度的动作温度为70℃，三级灵敏度的动作温度为78℃。感烟式探测器的一级灵敏度表示单位长度的烟雾减光率达到10％报警，二级灵敏度表示该减光率达到20％报警，

三级灵敏度表示该减光率达到30％报警等。

2．误报分析

根据实际使用统计，由于使用不当引起火灾误报主要有以下因素：

1）吸烟。这是大量事实所证明的，尤其是当房间顶棚较低，而探测器的灵敏度较高时更容易发生。有时一个人吸烟就可干扰探测器的工作，三个人同时吸烟足以使探测器发出火警信号。由于吸烟过程多为阴燃，生成的烟雾颗粒较大，故更容易使感烟式探测器误报。

2）电气焊。在使用电气焊作业时产生的大量烟雾，很容易使火灾探测器发出火警信号。在机舱工作间以及修船厂修船时应特别引起船舶管理人员的注意。

3)水蒸气。当室内的湿度较大时，水蒸气可进入探测器内，干扰探测器的工作。若水蒸气凝结在有关元件上，也会影响光线的发出和接收。造成室内水分过多主要有两种情况：一是室内存在水源或汽源，如厨房、洗衣间、房间漏水等；二是季节影响，如夏季，尤其是梅雨时节，容易出现室内湿度很大的情况。现在所用的大多数探测器适用于相对湿度低于85％的环境。